Jenis sel surya yang sudah banyak tersedia di pasar adalah turunan dari teknologi sel surya semikonduktor. Dalam semikonduktorpadat tradisional, sel surya terbuat dari dua kristal yang didoping, satu didoping dengan pengotor tipe-n (semikonduktor tipe-n), yang menambahkan elektron pita konduksi gratis tambahan, dan yang lainnya didoping dengan pengotor tipe-p (semikonduktor tipe-p), yang menambahkan lubang elektron tambahan. Ketika bersentuhan, beberapa elektron di bagian tipe-n mengalir ke tipe-p untuk "mengisi" elektron yang hilang, juga dikenal sebagai lubang elektron. Akhirnya elektron yang cukup akan mengalir melintasi batas untuk menyamakan tingkat Fermi dari dua bahan. Hasilnya adalah wilayah di antarmuka, pertemuan p-n, tempat pembawa muatan habis dan/atau diakumulasikan di setiap sisi antarmuka. Dalam silikon, transfer elektron ini menghasilkan penghalang potensial sekitar 0,6 hingga 0,7 V.[6]
Ketika ditempatkan di bawah sinar matahari, foton cahaya matahari dapat membangkitkan elektron pada sisi tipe-p semikonduktor, suatu proses yang dikenal sebagai fotoeksitasi. Dalam silikon, sinar matahari dapat menyediakan energi yang cukup untuk mendorong elektron keluar dari pita valensi berenergi lebih rendah ke pita konduksi berenergi lebih tinggi. Seperti namanya, elektron dalam pita konduksi bebas untuk bergerak di dalam silikon. Ketika suatu beban ditempatkan melintasi sel secara keseluruhan, elektron-elektron ini akan mengalir keluar dari sisi tipe-p ke sisi tipe-n, kehilangan energi saat bergerak melalui sirkuit eksternal, dan kemudian mengalir kembali ke bahan tipe-p, ketika elektron sekali lagi dapat bergabung dengan lubang pita valensi yang ditinggalkan. Dengan cara ini, sinar matahari menciptakan arus listrik.[6]
Dalam semikonduktor apa pun, celah pita berarti bahwa hanya foton dengan jumlah energi itu, atau lebih, akan berkontribusi untuk menghasilkan arus. Dalam kasus silikon, sebagian besar cahaya tampak dari merah ke ungu memiliki energi yang cukup untuk mewujudkannya. Sayangnya foton energi yang lebih tinggi yang ada di ujung spektrum biru dan ungu, memiliki energi lebih dari cukup untuk melintasi celah pita; meskipun sebagian energi ekstra ini ditransfer ke dalam elektron, sebagian besar terbuang sebagai panas. Masalah lain adalah bahwa untuk memiliki kesempatan yang wajar untuk menangkap foton, lapisan tipe-n harus cukup tebal. Ini juga meningkatkan kemungkinan bahwa elektron yang baru dikeluarkan akan bertemu dengan lubang yang dibuat sebelumnya di material sebelum mencapai persimpangan p-n. Efek ini menghasilkan batas atas pada efisiensi sel surya silikon, saat ini sekitar 12 hingga 15% untuk modul umum dan hingga 25% untuk sel laboratorium terbaik (33,16% adalah efisiensi maksimum teoritis untuk sel surya celah pita tunggal, lihat batas Shockley – Queisser).[7]
Sel surya tersensitisasi pewarna
Jenis sel yang dibuat di EPFL oleh Grätzel dan O'ReganPengoperasian sel Grätzel.
Pada akhir 1960-an ditemukan bahwa pewarna organik yang disinari dapat menghasilkan listrik pada elektrode oksida dalam sel elektrokimia.[8] Dalam upaya untuk memahami dan mensimulasikan proses utama dalam fotosintesis, fenomena tersebut dipelajari di University of California di Berkeley dengan mengekstraksi klorofil dari bayam (pendekatan bio-mimetik atau bionik).[9] Atas dasar percobaan seperti itu, pembangkit tenaga listrik melalui prinsip sel surya kepekaan zat warna (DSSC) ditunjukkan dan didiskusikan pada tahun 1972.[10] Ketidakstabilan sel surya zat pewarna diidentifikasi sebagai tantangan utama. Selama dua dekade berikutnya, efisiensi dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan porositas elektrode yang dibuat dari bubuk oksida halus, tetapi ketidakstabilan tetap menjadi masalah.[11]
DSSC modern terdiri dari lapisan berpori nanopartikeltitanium dioksida, ditutupi dengan pewarna molekul yang menyerap sinar matahari, seperti klorofil dalam daun hijau. Titanium dioksida direndam dalam larutan elektrolit, yang di atasnya adalah katalis berbasis platinum. Seperti pada baterai alkalin konvensional, anoda (titanium dioksida) dan katode (platinum) ditempatkan di kedua sisi konduktor cair (elektrolit).[12]
Sinar matahari melewati elektrode transparan ke lapisan pewarna kemudian membangkitkan elektron yang selanjutnya mengalir ke titanium dioksida. Elektron mengalir menuju elektrode transparan tempat elektron dikumpulkan untuk memberi daya pada beban. Setelah mengalir melalui sirkuit eksternal, elektron dimasukkan kembali ke dalam sel pada elektrode logam di bagian belakang, mengalir ke elektrolit. Elektrolit kemudian mengangkut elektron kembali ke molekul pewarna.[12]
Sel surya tersensitisasi pewarna memisahkan dua fungsi yang dilakukan oleh silikon dalam desain sel tradisional. Biasanya silikon bertindak sebagai sumber fotoelektron, serta menyediakan medan listrik untuk memisahkan muatan dan menciptakan arus. Dalam sel surya tersensitisasi pewarna, sebagian besar semikonduktor digunakan semata-mata untuk transportasi muatan, fotoelektron disediakan dari pewarnafotosensitif terpisah. Pemisahan muatan terjadi pada permukaan antara pewarna, semikonduktor, dan elektrolit.[12]
Molekul pewarna cukup kecil (berukuran nanometer), jadi untuk menangkap cahaya masuk dalam jumlah yang cukup, lapisan molekul pewarna harus dibuat cukup tebal, jauh lebih tebal daripada molekul itu sendiri. Untuk mengatasi masalah ini, bahan nano digunakan sebagai perancah untuk menahan sejumlah besar molekul pewarna dalam matriks 3-D, meningkatkan jumlah molekul untuk area permukaan sel tertentu. Dalam desain yang ada, perancah ini disediakan oleh bahan semikonduktor, yang berfungsi ganda.[13]
Pembuatan
Dalam kasus desain Grätzel dan O'Regan asli, selnya memiliki 3 bagian utama. Di bagian atas adalah anoda transparan yang terbuat dari timah dioksida berfluorida (SnO2:F) yang diendapkan di belakang pelat (biasanya kaca). Berada di belakang pelat konduktif ini adalah lapisan tipis titanium dioksida (TiO2), yang membentuk struktur yang sangat berpori dengan luas permukaan yang sangat tinggi. (TiO2) secara kimia terikat oleh proses yang disebut sintering. TiO2 hanya menyerap sebagian kecil dari foton matahari (yang ada di UV).[14] Pelat tersebut kemudian direndam dalam campuran pewarnarutenium-polipiridina fotosensitif (juga disebut sensitizer molekuler[14]) dan pelarut. Setelah merendam film dalam larutan pewarna, lapisan tipis pewarna dibiarkan kovalen ke permukaan TiO2. Ikatan tersebut merupakan hubungan penghubung ester, chelating, atau bidentate.
Pelat yang terpisah kemudian dibuat dengan lapisan tipis elektrolit iodida yang disebarkan di atas lembaran konduktif, biasanya logam platinum. Kedua pelat kemudian disatukan dan disegel bersama untuk mencegah elektrolit bocor. Konstruksi ini cukup sederhana sehingga ada perlengkapan hobi yang tersedia untuk membangunnya secara manual.[15] Meskipun sel ini menggunakan sejumlah bahan "canggih", ini tidak mahal dibandingkan dengan silikon yang dibutuhkan untuk sel surya normal karena tidak memerlukan langkah-langkah pembuatan yang mahal. TiO2 misalnya, sudah banyak digunakan sebagai cat dasar.
Salah satu perangkat DSSC yang efisien menggunakan pewarna molekuler berbasis rutenium, misalnya [Ru(4,4'-dikarboksi-2,2'-bipiridina)2(NCS)2] (N3), yang terikat pada fotoanoda melalui gugus karboksilat. Fotoanoda-nya terdiri dari film setebal 12 μm transparan dari nanopartikel TiO2 berdiameter 10-20 nm yang ditutup dengan film setebal 4 μm dari partikel yang jauh lebih besar (diameter 400 nm) yang menyebarkan foton kembali ke film transparan. Pewarna yang tereksitasi dengan cepat menyuntikkan elektron ke dalam TiO2 setelah penyerapan cahaya. Elektron yang disuntikkan berdifusi melalui jaringan partikel yang disinter untuk dikumpulkan pada elektrode oksida konduktor transparan (TCO) sisi depan, sedangkan pewarna diregenerasi melalui reduksi oleh redoks balik, I3-/I-, dilarutkan dalam larutan.[16]
^O'Regan, Brian; Grätzel, Michael (1991). "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films". Nature. 353 (6346): 737–40. Bibcode:1991Natur.353..737O. doi:10.1038/353737a0.
^Gerischer, H; Michel-Beyerle, M.E; Rebentrost, F; Tributsch, H (1968). "Sensitization of charge injection into semiconductors with large band gap". Electrochimica Acta. 13 (6): 1509–15. doi:10.1016/0013-4686(68)80076-3.
^Tributsch, H; Calvin, M (1971). "Electrochemistry of Excited Molecules: Photo-Electrochemical Reactions of Chlorophylls". Photochemistry and Photobiology. 14 (2): 95–112. doi:10.1111/j.1751-1097.1971.tb06156.x.
^Tributsch, Helmut (2008). "Reaction of Excited Chlorophyll Molecules at Electrodes and in Photosynthesis". Photochemistry and Photobiology. 16 (4): 261–9. doi:10.1111/j.1751-1097.1972.tb06297.x.
^Matsumura, Michio; Matsudaira, Shigeyuki; Tsubomura, Hiroshi; Takata, Masasuke; Yanagida, Hiroaki (1980). "Dye Sensitization and Surface Structures of Semiconductor Electrodes". Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development. 19 (3): 415–21. doi:10.1021/i360075a025.
^Hamann, Thomas W; Jensen, Rebecca A; Martinson, Alex B. F; Van Ryswyk, Hal; Hupp, Joseph T (2008). "Advancing beyond current generation dye-sensitized solar cells". Energy & Environmental Science. 1: 66–78. doi:10.1039/b809672d.
